球形机器人的驱动单元、传感器和控制单元均包含在球壳内部，具有非线性、强耦合、多变量等复杂特性，是研究多传感器数据融合与控制理论的理想平台。本文针对球形机器人的结构设计、运动学和动力学建模、姿态解算和控制系统设计展开研究。
　　首先，基于质心偏移的运动方式，设计了一种基于全向轮驱动平台的球形机器人并详细介绍了其系统设计。该球形机器人具有三个对称分布的全向轮，通过控制全向轮在球体内部运动使整体质心产生偏移，实现球形机器人全方位且快速动作。
　　然后，对所搭建的球形机器人平台进行了运动学/动力学建模。利用平面-球模型建立了球体在惯性坐标系的描述，并通过旋转矩阵，将驱动平台角速度转换到惯性坐标系下，建立了球形机器人驱动平台的运动学模型。基于拉格朗日方程，将球形机器人分为球壳、驱动平台和全向轮三部分，根据虚功原理，建立了球形机器人动力学模型。仿真实验证明本文所推导球形机器人模型的合理性。
　　其次，为了提高球形机器人姿态解算的精度和速度，提出了一种基于互补滤波和粒子滤波算法融合的姿态解算算法。对于偏航角的姿态解算，考虑到球形机器人机载控制单元的限制，为避免磁力计噪声过大影响俯仰角和横滚角解算结果，利用信息熵观测磁力计噪声，再将磁力计数据进行互补滤波以获取偏航角，并根据磁力计噪声大小动态调整在互补滤波中权值。对于俯仰角和横滚角的姿态解算，将粒子滤波与互补滤波算法相结合，由此减小陀螺仪温度漂移、机体振动等问题引起的误差，从而快速、准确地获取球形机器人实时位置和姿态信息，提高球形机器人的控制精度。仿真实验证明了本文所设计的姿态解算算法的。
　　最后，实现了一种基于模型参考自适应控制的球形机器人控制系统。基于所设计的球形机器人系统实验平台完成了姿态解算、路径跟踪等实测实验，实验结果表明本文所设计的球形机器人系统的可行性与有效性。